Schaltregler versus Linearregler

Die meisten Leute halten die Frage, ob Schaltregler oder Linearregler die bessere Lösung sind, für längst geklärt – so wie die Diskussion um Wechsel- oder Gleichstromnetze längst beendet ist. Nach herkömm­licher Sichtweise sind Linearregler einfach und kosten­günstig, dafür aber auch ineffizient; sie eignen sich daher nur für kostensensitive Anwen­dungen, in denen Energieeffizienz von untergeordneter Bedeu­tung ist, nur kleine Lasten zu speisen sind oder die gewünschte Ausgangs­spannung nur knapp unter der Eingangs­spannung liegt.

Der Linearregler

Die grund­legende Funktionsweise eines Linearreglers ist ganz einfach: Zwischen Spannungsquelle und Last liegt ein variabler Serien­wider­stand in Form eines Transistors. Dieser Wider­stand wird in Abhän­gig­keit vom Laststrom so geregelt, dass sich eine konstante Ausgangs­spannung ergibt. In dem Transistor entsteht eine zum Laststrom und zur Diffe­renz zwischen Eingangs­spannung und Ausgangsspannung pro­porti­onale Verlustleistung, die in Form von Wärme verloren geht. Die Ausgangs­spannung eines Linearreglers ist grundsätzlich niedriger als die Eingangs­spannung, und eine wirk­same Regelung ist nur möglich, wenn die Spannungsdiffe­renz zwischen Ein- und Ausgang einen gewissen Mindestwert, der als Dropout-Span­nung bezeich­net wird, nicht unterschreitet. In der Vergangenheit lag diese Dropout-Span­nung bei etwa 1,5 V. Die Eingangs­spannung muss so groß sein, dass diese Mindest-Span­nungs­diffe­renz aufrechterhalten wird.

Der 3-A-Linearregler APE 8968MP-HF-3.Advanced Power Electronics

Die Technik hat sich jedoch im Laufe der Jahre weiter­ent­wickelt. Heute sind große Span­nungs­diffe­renzen zwischen Spannungsquelle und Last eher die Ausnahme als die Regel. Viele Boards arbeiten heute mit wesent­lich kleineren Betriebsspannungen, als in der Vergangenheit üblich waren. Nicht selten beträgt die höchste Betriebs­spannung auf einem Board nur noch 3,3 V. Viele Flash-Speicherbausteine, Prozes­soren, Mikro­con­troller und ASICs arbeiten heute mit Span­nungen von nur 1,8 V, 1,2 V oder sogar weniger als 1 V. Dadurch ist der Spannungs­bereich, über den geregelt werden muss, deutlich kleiner geworden. Einige Designs kommen heute sogar völlig ohne Schalt­regler aus, weil moderne Linearregler auf diesen Span­nungsniveaus eine effi­ziente Regelung ermög­lichen.

Dies ist haupt­sächlich auf verbes­serte Bau­teiltechno­logien zurückzuführen. Die für die Energie­effizienz entscheidende Kom­po­nente eines Linearreglers ist der Serientransistor. Moderne MOSFET-Techno­logie ermög­licht hoch­effi­ziente, äußerst kompakte MOSFETs mit sehr kleinem On-Wider­stand. Das wirkt sich unmittelbar auf die Dropout-Span­nung aus. Viele Jahre lang galten Linearregler mit 1,4 V Dropout-Span­nung als Low-Dropout-Regler (LDOs). Drastisch verbes­serte MOSFET-Technologie ermög­licht heute Dropout-Span­nungen von wenigen Hundert Millivolt, auch bei hohen Last­strömen. Diese Regler sind eine effi­ziente Lösung für Anwendungen, bei denen die Ausgangs­spannung nur wenig unter der Eingangsspannung liegt. In diesen Fällen können moderne Linear­regler Wirkungsgrade von 85 Prozent bis 87 Prozent erreichen.

Dropout-Span­nung nur 0,23 V bei 3 A

Beschaltung des 3-A-Linearreglers APE 8968MP-HF-3 mit einem Ausgangskondensator, der einen Serienwiderstand (ESR) von mehr als 20 mOhm hat.Advanced Power Electronics

Zu diesen sogenannten „Ultra-Low-Dropout“-Linearreglern zählt der kürz­lich vorgestellte APE 8968MP-HF-3 von Advanced Power Electronics – ein 3-A-Linearregler, der in Anwen­dungen mit einer Eingangs-/Ausgangs­spannungs­diffe­renz von nur 300 mV hocheffizient arbeitet. Der Regler ist für einfache, board-interne Point-of-Load-(POL)-DC/DC-Wandler-Anwen­dungen, beispiels­weise Motherboard- und Notebook-Anwendungen, vorge­sehen und benö­tigt zwei Betriebs­spannungen – eine Haupt­betriebs­spannung und eine weitere zur Ansteue­rung des MOSFET-Gates. Die typische Dropout-Span­nung dieses Reglers beträgt nur 0,23 V bei 3 A.

Man übersieht leicht, dass Linearregler seit jeher in bestimmten Situationen gewisse Vorteile gegen­über Schalt­reglern aufweisen. Beispiels­weise ist die in Wärme umgesetzte Verlustleistung eines Linearreglers bei geringer Last oder kleiner Eingangs-/Ausgangs­spannungs­diffe­renz in vielen Fällen geringer als die eines Schalt­reglers. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Rauschen; das gilt ins­beson­dere für signal­verarbeitende Anwen­dungen und in zuneh­mendem Maße für persönliche medi­zi­nische Geräte. Schalt­regler benöti­gen Filter­bau­teile zur Unter­drückung der Schalt­frequenz, die vielleicht irgendwo zwischen 300 kHz und 1,5 MHz liegt. Diese Bau­teile verursachen Mehrkosten und bean­spruchen Platz auf der Leiter­platte. Weil Linearregler nicht schalten, rauschen sie deutlich weniger. Das spart Bau­teile und Kosten, außer­dem erhöht sich dadurch die Zuver­läs­sig­keit. Außer­dem sind Linearregler einfachere und kleinere Bau­teile, sie sparen dadurch Leiter­platten­fläche und Gewicht ein.

Jede Design-Entscheidung ein Kompromiss

Der 3-A-Linearregler APE 8968MP-HF-3 beschaltet mit einem MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitor) als Ausgangskondensator.Advanced Power Electronics

In der Praxis müssen sich Ent­wick­ler für eine Lösung entscheiden, mit der sie inner­halb der vorge­gebenen Entwicklungszeit und inner­halb des vorge­gebenen Kostenrahmens die geforderte System­leis­tung und Arbeits­geschwin­dig­keit erzie­len. Für Anwen­dungen, die eine Aufwärts­regelung erfor­dern, kommen Linearregler natür­lich nicht in Frage, da sie nur abwärtsregeln können. In batteriebetriebenen Anwen­dungen und bei Handheld-Geräten, bei denen die Akkulaufzeit und der Wirkungsgrad oberste Priorität haben, kann ein Schalt­regler durch­aus die opti­male und „einzig richtige“ Lösung sein. Es gibt jedoch viele andere Anwen­dungen, bei denen ein Wirkungsgrad in der Größenordnung von 85 Prozent bis 87 Prozent völlig aus­reichend ist, ins­beson­dere mit Hinblick auf die beträcht­lichen Mehrkosten eines Schalt­reglers. Auch die wesent­lich geringere Bau­teil­anzahl und ent­sprechend höhere Zuver­läs­sig­keit einer Linearregler-Lösung können wichtige Aspekte sein.

(jj)